植樹機(jī)械的應(yīng)用及發(fā)展趨勢

李文春，卜浩然，吳 勛，張立新※，李先峰

（1.圖木舒克銀豐現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備有限公司，新疆圖木舒克 844000；2.石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院）

0 引言

國家林業(yè)局第九次全國森林資源清查結(jié)果顯示，我國森林總面積為22 044.6萬hm2，森林蓄積量175.6億m3，覆蓋率為23.0%，遠(yuǎn)低于世界平均水平。

植樹造林和生態(tài)保護(hù)是一項長期而持久的工作，傳統(tǒng)人工造林方式不僅勞動強(qiáng)度大，而且工作效率較低，機(jī)械化植樹才是今后的發(fā)展趨勢[1]。植樹機(jī)械的研發(fā)與應(yīng)用不僅大大提高了植樹作業(yè)的工作效率，還可以使林業(yè)資源的分類優(yōu)勢得到充分發(fā)揮，從而更好地協(xié)調(diào)區(qū)域環(huán)境內(nèi)的林業(yè)生態(tài)資源與自然資源之間的相互關(guān)系，促進(jìn)林業(yè)生態(tài)資源的開發(fā)與利用[2]。

1 植樹機(jī)械的主要作業(yè)形式

根據(jù)植樹機(jī)械不同的特性和功能，現(xiàn)有植樹機(jī)主要可實現(xiàn)三種不同的植樹形式[3]。圖1（a）為連續(xù)開溝式栽植，作業(yè)時對植樹區(qū)域進(jìn)行整體挖溝，放置樹苗后再對樹苗根部進(jìn)行整體覆土并壓實，此方式由于對土壤擾動比較大，導(dǎo)致作業(yè)量增多、機(jī)械功耗增大，現(xiàn)階段應(yīng)用也逐漸減少；圖1（b）為條狀開溝栽植方式，采用條狀開溝機(jī)進(jìn)行開溝，人工放置樹苗后，再利用后方覆土輪自動覆土壓實，具有良好的工作效率，此形式適合應(yīng)用于平原地區(qū)，不適用于土質(zhì)堅硬、地形不連續(xù)和坡度大等情況；圖1（c）為挖穴式栽植形式，主要使用螺旋挖穴機(jī)進(jìn)行挖坑，再通過人工或自動放置樹苗后進(jìn)行人工覆土壓實，這種作業(yè)形式對于堅硬土質(zhì)等不良地形適應(yīng)性較強(qiáng)，且機(jī)器一般較為輕巧便攜，在一些大型機(jī)器無法到達(dá)的區(qū)域內(nèi)能發(fā)揮很好的作用，但其工作效率不佳。因此，在實際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)林區(qū)情況來選擇主要的作業(yè)形式。現(xiàn)階段植樹機(jī)械的應(yīng)用逐漸與生態(tài)植樹理念結(jié)合起來，旨在通過林業(yè)機(jī)械設(shè)備進(jìn)行植樹的同時最大限度地降低對自然環(huán)境的破壞。

2 植樹機(jī)械的研發(fā)歷程及現(xiàn)狀

國外的植樹機(jī)械比較先進(jìn)，20世紀(jì)初期，西方發(fā)達(dá)國家率先采用了造林機(jī)械，由于設(shè)備體積龐大且笨重，發(fā)展速度較緩慢。20世紀(jì)50年代內(nèi)燃機(jī)技術(shù)日趨成熟和輕量化，植樹機(jī)械得以實現(xiàn)迅速發(fā)展[4]。到20世紀(jì)末，發(fā)達(dá)國家在植樹造林領(lǐng)域已基本全面實現(xiàn)機(jī)械化作業(yè)。

我國的造林機(jī)械化起步于20世紀(jì)50年代。20世紀(jì)70年代初隨著拖拉機(jī)的普及，我國的植樹造林開始逐漸走向機(jī)械化。新世紀(jì)以來，我國植樹機(jī)械化程度得到了較大的提高。在“十五”和“十一五”規(guī)劃實施期間，國家設(shè)立了對植樹機(jī)械化關(guān)鍵技術(shù)難題的攻關(guān)項目。我國的植樹機(jī)械主要是從國外引進(jìn)先進(jìn)的技術(shù)裝備并加以消化、改造，現(xiàn)有的植樹機(jī)械主要包括挖坑機(jī)、連續(xù)開溝式植樹機(jī)和樹苗移植機(jī)。

2.1 挖坑機(jī)

挖坑機(jī)在現(xiàn)階段應(yīng)用非常廣泛，類型主要可分為懸掛式挖機(jī)和手提式挖機(jī)（圖2）。

我國于1958年首次研制出懸掛式挖坑機(jī)和手提式挖坑機(jī)。1973年，ZW5、ZB5等一系列產(chǎn)品被批量生產(chǎn)[5]。2000年以后，手提式和自走式挖坑機(jī)陸續(xù)出現(xiàn)在市場上。目前我國主要的挖坑機(jī)生產(chǎn)廠家有北京沃林、山東大華和赤峰田豐等。

北京沃林生產(chǎn)的雷神MAX系列手提式挖坑機(jī)（圖2a）和山東大華機(jī)械有限公司研制的TB-180型挖坑機(jī)（圖2b），均屬于便攜式挖坑機(jī)，可由一名操作員單獨操作使用。赤峰田豐農(nóng)機(jī)廠生產(chǎn)的3WH-60型懸掛式挖坑機(jī)（圖2c）結(jié)構(gòu)合理、便于操作，每小時挖坑數(shù)量高達(dá)120個。

日本的A-7手提式挖坑機(jī)采用H35D發(fā)動機(jī)，整機(jī)質(zhì)量僅有7 kg。美國制造的MDL-5B型挖坑機(jī)采用BS Intek Pro OHV（4.1 kW）發(fā)動機(jī)提供動力，發(fā)動機(jī)距離操作者較遠(yuǎn)，可大大降低噪音對操作者的影響，充分考慮了人機(jī)工程學(xué)原理[6]。

2.2 連續(xù)開溝式植樹機(jī)

連續(xù)開溝式植樹機(jī)適用于大面積開墾造林作業(yè)。它通過大馬力拖拉機(jī)牽引，作業(yè)時通過開溝器開出連續(xù)的栽植溝，苗木按照規(guī)定株距放入溝內(nèi)，機(jī)器后方覆土輪隨即對其進(jìn)行覆土壓實[7]。

石河子大學(xué)蒙賀偉團(tuán)隊研發(fā)了一款針對沙土地大面積種植的多功能植樹機(jī)，作業(yè)速度2~6 km/h，生產(chǎn)率達(dá)1.8 hm2/h[8]。圖木舒克銀豐科技有限公司和石河子大學(xué)團(tuán)隊聯(lián)合研發(fā)了一種適用于新疆荒漠化土地種植的植樹機(jī)，可針對多品種樹苗（白楊、胡楊、沙棗等）進(jìn)行種植，作業(yè)效率可達(dá)750棵/h。

國家林業(yè)局哈爾濱林機(jī)研究所研發(fā)的KDZ開溝大苗植樹機(jī)是一種可進(jìn)行大面積植樹造林的作業(yè)機(jī)具，適于在干旱鹽堿、瘠薄和需要灌溉的沙荒地使用，其作業(yè)效率可達(dá)5.33～6.67hm2/臺班。

JZX-30型連續(xù)開溝式植樹機(jī)是一種適用于平原地區(qū)插苗造林的懸掛式植樹機(jī)。該植樹機(jī)與拖拉機(jī)為三點懸掛，最大開溝深度達(dá)30cm。

白土梁機(jī)修廠改制的一款JKZ-70型植樹機(jī)最大開溝深度可達(dá)70 cm，但需要大馬力拖拉機(jī)作為牽引動力。該機(jī)適用于沙地大面積機(jī)械造林，可栽植楊、榆和沙棗等樹種的實生苗，成活率可控制在80%以上。

俄羅斯拉脫維亞研制的一種用于栽植容器苗的自走連續(xù)開溝式植樹機(jī)采用履帶拖拉機(jī)為動力。傳送帶通過圓盤式開溝器驅(qū)動，容器苗放置在機(jī)器上部的苗箱內(nèi)并由傳送帶將其輸送到開溝器的上部，然后經(jīng)導(dǎo)向裝置將苗木投入到犁溝內(nèi)。株距的變化可通過改變鏈輪的傳動比以達(dá)到改變?nèi)萜髅鐐魉退俣葋韺崿F(xiàn)。

2.3 移植機(jī)

國外對移植機(jī)械的研究起步較早，技術(shù)也較為成熟，產(chǎn)品呈系列化和多樣化。國外制造移植機(jī)械的公司主要有美國Big-John公司、加拿大HoltTreeSpades公司以及德國的Optimal公司等，另外俄羅斯和日本也制造了先進(jìn)的樹木移植機(jī)械。

上世紀(jì)90年代，瑞典某家公司研發(fā)了一種移栽機(jī)—SilvaNova，每小時可種植2000株幼苗[9,10]；芬蘭M-planter公司研發(fā)的初代M-planter每小時可播種2400株幼苗[11]。

針對桉樹苗種植，瑞典人基于挖掘機(jī)制造了Bracke P11[12]，巴西設(shè)計制造了MTM1000，該機(jī)器配備了一個水箱，除了栽植之外還可進(jìn)行灌溉[13]。

美國Big-john公司生產(chǎn)的車載式移植機(jī)可挖掘胸徑為80～360 mm的樹木，最大土球直徑為250 cm，深度可達(dá)175 cm。最新產(chǎn)品還裝備有攝像頭來輔助駕駛員準(zhǔn)確定位。荷蘭Damcon公司制造的立鏟式挖樹機(jī)作業(yè)時圓筒鏟挖到指定深度之后，U形鏟刀切斷根系形成土球，然后托住土球底部將其取出，此公司研發(fā)的另一款KLR-300移栽機(jī)每小時可移植樹苗2500棵。

在國內(nèi)，樹木移植機(jī)研究工作約始于20世紀(jì)70年代末期。北京林業(yè)大學(xué)與1987年成功研制的4YS-80型懸掛式樹木移植機(jī)有4個組合型鏟刀，可與鐵牛-55和東方紅-75拖拉機(jī)配套使用，挖出土球最大直徑為80～90cm，高度為60～70 cm，一般3 min左右就能挖一棵樹，大大提高了作業(yè)效率，為后來樹木移植機(jī)械的設(shè)計奠定了基礎(chǔ)[16]。

內(nèi)蒙古赤峰亞美非生態(tài)科技發(fā)展有限公司研制的挖樹機(jī)可挖直徑為10～30 cm的綠化樹木，挖掘土球直徑為60～150cm，每小時可挖掘25棵左右，作業(yè)效率及移栽成活率都很高[15]。

3 植樹機(jī)技術(shù)發(fā)展趨勢

3.1 增強(qiáng)機(jī)具通用性和適用范圍

我國的植樹造林存在一定的季節(jié)性和地區(qū)性，機(jī)械作業(yè)周期短，單一功能的機(jī)械年利用率低。在未來的設(shè)計中應(yīng)盡可能地做到一機(jī)多用。具體實施方法有：一是根據(jù)不同的土壤和工作環(huán)境更換不同的挖坑鉆頭；二是采用通用構(gòu)架，在工作部件替換后可以進(jìn)行其它項目的林業(yè)作業(yè)，以提高利用率。此外，植樹機(jī)不但要適用于平原、沙地和丘陵地區(qū)，也要適用于山區(qū)和峽谷等地。

3.2 推進(jìn)全程系統(tǒng)化

在利用造林機(jī)械時，應(yīng)采取科學(xué)、合理的規(guī)劃措施，推動全過程的系統(tǒng)化和流程化，以達(dá)到提高作業(yè)效率和降低投入的目的。

3.3 重視生態(tài)化建設(shè)

在進(jìn)行林業(yè)機(jī)械創(chuàng)新時必須綜合考慮到社會資源和生態(tài)環(huán)境等方面的因素，以“生態(tài)建設(shè)為主、經(jīng)濟(jì)建設(shè)為輔，兼顧社會建設(shè)”為基礎(chǔ)，綜合發(fā)展生態(tài)、經(jīng)濟(jì)和社會效益，使用成本低、能耗低和污染低的制造原材料，貫徹落實生態(tài)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。此外，必須要根據(jù)實際情況選擇合適的營林作業(yè)機(jī)械，并充分考慮到機(jī)械對人員安全以及當(dāng)?shù)丨h(huán)境的影響。比如有些地區(qū)地形復(fù)雜，不適合大型機(jī)械進(jìn)入，作業(yè)時應(yīng)該選擇破壞性小且便于攜帶的機(jī)械。在今后的發(fā)展中，這將是林業(yè)機(jī)械的發(fā)展主流。

4 結(jié)語

隨著我國機(jī)械行業(yè)的迅速發(fā)展，各行業(yè)的機(jī)械化水平都有了顯著提高，但以植樹機(jī)為典型代表的林業(yè)機(jī)械的發(fā)展卻不盡如人意。

近幾年隨著我國現(xiàn)代化林業(yè)建設(shè)的可持續(xù)發(fā)展，林業(yè)工程量也隨之增加，如果還不能真正實現(xiàn)林業(yè)機(jī)械化作業(yè)，就會越來越難以適應(yīng)當(dāng)代社會的生產(chǎn)發(fā)展需要。我國必須不斷加強(qiáng)林業(yè)機(jī)械的創(chuàng)新和利用，將林業(yè)機(jī)械發(fā)展到整體機(jī)械化階段，推進(jìn)我國機(jī)械化林業(yè)工作的持續(xù)進(jìn)行，確保國家經(jīng)濟(jì)、生態(tài)、社會效益實現(xiàn)共同健康協(xié)調(diào)發(fā)展。